輪胎用膠料在不同溫度環境下硬度測試的研究

趙貝貝，張麗杰，路官山，王慧敏

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

膠料硬度是其在給定條件下抵抗剛性測量器具探頭壓入的性能，反映了膠料軟硬程度。膠料硬度與其定伸應力、撕裂強度、壓縮變形、彈性模量等密切相關[1]。因此，在某種意義上可以通過硬度了解膠料力學性能。利用膠料硬度來控制生產工藝，對判定膠料硫化程度和產品質量具有重要意義[2]。此外，硬度可直接反映膠料在小應變下的應力-應變關系，硬度越大，在相同外力下膠料變形越小。輪胎行駛中經受外力的作用，其中部分應力由于膠料彈性被吸收和分散，使各部件膠料所受應力由外向內依次減小；層與層間由于膠料變形不同而產生剪切應力，在胎體層中剪切應力最大。因此合理配置各部件膠料硬度，可避免因局部應力過大導致輪胎早期損壞[3]。

目前國內大多數輪胎企業只測試膠料在常溫下的硬度，這對于有溫度要求的特殊輪胎（冬季輪胎或用于非洲、中東等高溫地區的輪胎）顯然是不適用的。不同環境溫度條件下，輪胎硬度變化非常大，并由此影響輪胎行駛安全性。因此，測定膠料在低溫或高溫下的硬度及輪胎各部件硬度隨溫度的變化尤為重要。此外，對不同溫度下膠料進行硬度測定也為設計出在不同溫度下可合理配置的部件膠料硬度提供有效的數據支持。

1 橡膠硬度測試方法

橡膠硬度測試方法和儀器很多，通常按照施加負荷原理的不同分為兩大類[4-5]，一類是彈簧式硬度，例如邵氏硬度；另一類為定負荷硬度，例如IRHD硬度、趙氏硬度等。此外還有一些特殊硬度測試，例如微型硬度、多孔材料硬度和海綿硬度等。

1.1 邵氏硬度

邵氏硬度是目前國際上應用比較廣泛的一種硬度，在我國應用也最廣泛。邵氏硬度一般分為A，C，D等幾種型號，邵爾A型硬度適用于軟質橡膠，邵爾C型硬度適用于半硬質橡膠，邵爾D型硬度適用于硬質橡膠[6-7]。

邵氏硬度計的結構簡單，試驗時用外力將硬度計的鈍針壓在試樣表面上，鈍針壓入試樣的深度按下式計算：

式中：T為鈍針壓入試樣深度，mm；h為所測硬度值；2.5（mm）為壓針露出部分長度；0.025（mm）為硬度計指針每度壓針縮短長度。

1.2 IRHD硬度

IRHD硬度計是以規定的負荷和球形壓頭，以壓頭壓入試樣深度差值來表示試樣硬度[8]。

在較小的應變條件下膠料應力-應變近似于直線關系，因此，在較小的拉伸或壓縮應變條件下，彈性模量通常被定義為應力-應變曲線斜率。IRHD硬度與彈性模量具有較好的相關性，它是在規定條件下測量硬度計鋼球壓入膠料深度（小變形），并將該深度換算成IRHD硬度。

2 實驗

本研究對不同溫度下膠料硬度的測定是在應用邵爾A型硬度計的基礎上配備環境箱來實現的。

2.1 試驗樣品

試驗輪胎部件膠料包括胎面膠、胎側膠、基部膠、氣密層膠、帶束層膠和胎體膠，各部件膠料配方見表1。

表1 不同部件膠料配方 份

2.2 測試儀器

DIGI-CHAMBER R型硬度計，德國BAREISS公司產品。

2.3 測試方法

不同溫度下試樣保持時間為30 min（保溫時間已經過驗證，超過30 min后，試樣硬度測試結果無明顯變化）。

3 結果與討論

3.1 胎面膠

胎面膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況如表2所示。

表2 胎面膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表2可見：在從常溫25 ℃向低溫方向變化時，胎面膠硬度變化較大，在25 ℃降至－10 ℃溫度區間的變化率達到11%，更低溫度時變化更加明顯；在從常溫向高溫方向變化時胎面膠硬度變化較小。因此，輪胎在低溫下使用時應更加注意胎面膠性能變化。

3.2 帶束層膠

帶束層膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況如表3所示。

表3 帶束層膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表3可見，在從25 ℃降至－10 ℃溫度區間內帶束層膠硬度變化率為7.9%，在25 ℃升至150℃時硬度變化很小。說明帶束層膠的耐低溫性能較差，耐高溫性能較好。

3.3 氣密層膠

氣密層膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況如表4所示。

表4 氣密層膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表4可見，在從25 ℃向低溫方向或高溫方向變化時，氣密層膠硬度均有明顯變化。因此，為保證輪胎在高低溫環境下的綜合性能，需要對氣密層膠耐高低溫性能進行改善。

3.4 胎體膠

胎體膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況如表5所示。

表5 胎體膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表5可見，在從25 ℃向較低溫及高溫方向變化時，胎體膠硬度均未發生太大變化，但是在溫度降至更低時，其硬度發生快速變化。由此可知胎體膠的耐高低溫性能較好，但在極寒情況下適宜性較差。

3.5 基部膠

基部膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況如表6所示。

表6 基部膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表6可見，在從25 ℃向較低溫或高溫方向變化時，基部膠硬度變化較小，只有在極低溫度時其硬度變化較大。這說明基部膠具有較強的環境適應性。

3.6 胎側膠

胎側膠邵爾A型硬度隨溫度的變化情況見表7。

表7 胎側膠邵爾A型硬度隨溫度的變化 度

由表7可見，胎側膠在從25 ℃分別降低至－10℃或升高至60 ℃時，其硬度變化較小，在此溫度區間可正常使用，隨著溫度繼續降低或升高其硬度發生較大變化，性能將急速降低，因此胎側膠在極低或極高溫度環境下適用性較差。

綜合對以上6種輪胎部件膠料在不同溫度環境下硬度測試數據的分析可以看出，不同部件膠料硬度隨溫度變化的趨勢具有差異性，在常溫下匹配得到的膠料硬度在溫度變化后不再匹配，因此在低溫或高溫環境下，膠料會形成早期破壞，影響輪胎的使用壽命。因此對于膠料配方設計人員來說，在設計配方時熟知每個部件膠料硬度隨溫度的變化趨勢尤為重要，膠料硬度隨溫度變化的趨勢對于預判膠料適宜的使用環境及地區具有重要意義。

4 結語

膠料硬度隨溫度的變化會發生很大的變化，測試膠料在不同溫度下的硬度及其變化規律，對于探究輪胎使用條件、安全性能以及配方設計的優化等必不可少。目前，各輪胎企業由于自身設備儀器的限制以及測試目的的不同，測試膠料在不同溫度環境下的硬度所使用的條件及方法各不相同，結果也沒有可比性，因此不同溫度下膠料硬度的測試方法有待統一。